蓝宝石图形化衬底的GaN 基LED 大功率芯片的研究和产业化

ｌ刊４
ＰＳＳ
ｌ－制挫４５ｍｉｌ大功率ＬＥＤ芯片的Ｖ－ｌｌｉｈ线
幽５揭示Ｊ＇ＰＳＳ以眭Ｎｏｎ－ＰＳＳ，９Ｉ程ＬＥＤ芯片的光功率吼厦发光效牢，与Ｎｏｎ＋ＰＳＳ制程ＬＥＤ芯片相比ＰＳＳＺ９Ｊ程ＬＥＤ 芯片且打更高的止功牢和发光杖牢围６出示ＴｅＳＳ以及Ｎｏｎ．ＰＳＳ制程ＬＥＤ。Ｓ片的饱和曲线能罅发现，当输入电流 较小时随荷｝ｉｉ八电流的增加，此功率线性增打¨而ＰＳＳ制程ＬＥＤ，卷片的输出光功率始终大十Ｎｏｎ ＰＳＳ％Ｊｌ程芯¨．在 ３５０ｍＡ输八电流时ＰＳＳ制程芯¨光功牢为２９５ｍＷ，Ｉｌｌ［Ｎｏｎ ＰＳＳ．０¨样＾ｊ为２４５ｍＷ。嘲而，ｊｍ过在ｅｓｓ ｒ制程ＬＥＤ芯 Ｈ ｕｒ以提高输出光功率逃２２ ９％，光敏提高约４Ｉ ｏ％，这种改普上要”１功于ＰＳＳ提高了芯Ｊ｝内音Ｉ；光干的逸出牢¨
时也Ｉ女叫ＰＳＳ的生长日Ｅ啦有效＆善品体生长性能，在定程度ｒ提高了内睛ｒ艘率
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图５ ＬＥＤ芯片的光功率以 及封装成品的光通量 圈６ ＬＥＤ芯片的饱和曲线图 图７给出ＹＰＳＳ制程功率型ＬＥｎ苎片在３５０ｍＡ以厦７００ｍＡ时的老化曲线，由图可以发现．ＬＥＤ芯片具有良好的可 靠性和稳定性，３５０ｍＡ Ｆ１０００４，时光衰为．０ ４％，而７００ｍＡＪ／Ｉ］速老化１０００ｄ，时光衰为２
幽８ ＰＳＳ上制备ＬＥＤ芯，片的光电参数分布斛（ａ正向压降分布幽ｂ波长分布图ｃ光功率分布图
五、结论
在ＰＳＳ上戚功制程了４５ｍ ＪｌＪＪｊ率型ＬＥＤＪｌ‘ＪＩ并腹功将其产、ｌｋ化．’７Ｎｏｎ ＰＳＳ制程芯片相比，ｊ‘发光效率提高４Ｉ
ｏ％
封装白光ＬＥＤｔｌ单颗ＬＥ时ｒ发光亮度达到９５１ｍ以上，其发光效率达８５１ｍｔＷ。
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Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｌｌｅｒｓ ７６１８０５（２０００）
三、结果与讨论
通过扫描电子吐微镜（ＳＥＭ）图形对ＩＣＰ干法刻ｉ虫的ＰＳＳ进行测试．得到
女Ｉ『图３所具有良好的 均一性，半圆球直径约为３／ａｍ，中心问距为６｝ＩＴ【１高约ＩｌｌｌＴｌ。
囝３ ＰＳＳ的ＳＥＭ示意圈
２００９全用半导体月明技术与应用论坛论文集
８％。
图７ ＬＥＤ芯片（ＰＳＳ）的老化曲线
２册々十【目ｔ＊＊％Ⅲ摧求ｔ－＾川ｔｋ＊女难
四、产业化
恻８硅不ＹＰＳＳ上制备的ＬＥＤ芯片的光电参数舒佑图．由图可知，正向降主要分布在３
３．３
４Ｖ．渡长上要分布在
４５５＿４６０ｎｍ而光功率删｜丰要分布在２８５－３００ｍＷ．通过大量的研究已成功解决ｒ产ｑｋ化的关崩￡术
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图２ ４５ｍｉｌ功率型ＬＥＤ芯片结构示意图
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测试：通过扫面电子显微镜税察ＰＳＳ形貌，录用ＦｉｔＴｅｃｈ ＩＰＴ６０００整合型ＬＥＤ晶粒点洲机、枕卅ｊｔ方ＬＥＤ３００型光色 电综合测量系统测试ＬＥＤ芯片的正向压降（Ｖｆ）、光功率（Ｐ）、波长（ｘ） （ＥＳＤ）、老化曲线等光电参数。 封装成品光通量（【Ｄ）、抗静电性能
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓｋ毗ｎ ８６ ０５２１０８（２００５１
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１１５２（２００６）
图４为ＰＳＳ上制程的４５ｍｉｌ大功率ＬＥＤ芯片的ｖ＿Ｉ曲线，曲线表现为典型的二极管特性。在整个测试范围内，电流随 电压呈平滑的变化，反映了器件稳定的电学性能。在３５０ｍＡ驱动电流．器件的正ｌｑ压降约为３ ３５Ｖ。此外．在反向
１０Ｖ电压时，８０％以上芯片反向漏电流低于０
５¨，在反向］Ｏｖａ下电压为２ＩＶ，均体现出良好的漏电特性。
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半导体半报．２００６
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一、引言
随着ＧａＮ基第三代半导体材料的兴起，蓝色以及白色发光二级管（ＬＥＤ）的研制成功，发光强度和发光效率的不 断提高，ＬＥＤ已经被公认为最有可能进入通用照明领域的新型固态冷光源，因而在近年来成为全球关注的焦点。与传 统照明光源相比，白炽灯的发光效率为１５１ｍ／Ｗ，荧光灯发光效率为７０—１００１ｍ／Ｗ，目前国外产业化的功率型ＬＥＤ光效 为８０１ｍ／Ｗ，而理论预测ＬＥＤ发光效率可以达到３００１ｍ／Ｗ，因而，现阶段ＬＥＤ的发光效率偏低和光通量成本偏高是制约 其大规模进入照明领域的两大瓶颈，要逐步取代现有照明光源，还需要进一步提高ＬＥＤ的发光效率。 ＬＥＤ的发光效率一般称为外部量子效率（Ｔ１鲥），它主要取决于ＬＥＤ的内量子效率（１１ｉｍ）与提取效率（Ｔ１。）的乘 积。现阶段ＧａＮ基ＬＥＤ的内量子效率已经达到７０－８０％ｔ¨，因而通过提高内量子效率来大幅度提高ＬＥＤ发光效率已没有 很大的空间【２１．而对于传统的正装结构ＧａＮ基ＬＥＤ，ＧａＮ材料的折射率为２．４，对应于临界全反射角０。＝２４．５０，理论上只 有２０％左右的光子能够逃逸出去，因而提高ＬＥＤ的提取效率成为全球半导体研究的前沿和热点。 通过透明接触层【３１、倒金字塔结构【４１、倒装芯片【５１、垂直结构［６１、表面粗化ｍ、布拉格反射层（ＤＢＲ）结构【引、光子晶 体【９Ｉ等技术改进能够有效的提高芯片的光提取效率，而蓝宝石图形化衬底（ＰＳＳ）技术由于能够降低外延层应力、改 善晶体生长性能、增加ＧａＮ／蓝宝石接触面逸出角等优势ｍ１１】，近年来成为关注的焦点。本文基于蓝宝石图形化衬底， 通过外延生长、芯片制程制造高亮度ＬＥＤ芯片，对ＰＳＳ上生长ＬＥＤ的光电性能进行了系统研究，并深入分析ＰＳＳ的影 响机理，ＬＥＤ器件发光效率达到８５ｌｍ，ｗ。
时，为避免因衬底表面的图形规则凹坑导致更多晶体缺陷，在缓冲层以厦非掺杂ＧａＮ层的厚度以及生长速率上进行涧 整优化，生长的外延结构罔如罔ｌ所示：
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图１ ＰＳＳ上生长的外延结构示意图 ＬＥＤ芯片制程：电千束蒸镀３００ｎｍ的ＩＴ０薄膜作为ｐ型接触层，通过甚应耦台等离子系统（ＩＣＰ）划蚀列ｎ型ＯａＮ．
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３２
２００９全国半导体照明技术与应用论坛论文集
蓝宝石图形化衬底的ＧａＮ基 ＬＥＤ大功率芯片的研究和产业化
艾常涛易贤靳彩霞董志江 （武汉迪源光电科技有限公司）
摘
要：本篇对比研究了蓝宝石图形衬底（ＰＳＳ）和平面衬底（ｎｏｎ—ＰＳＳ）上制备ＧａＮ基４５ｍｉｌ功率型ＬＥＤ芯片的光
电特性。相比较平面衬底，在Ｐｓｓ衬底上制备的大功率芯片的发光效率提升４１．Ｏ％，将ＰＳＳ制备的大功率芯片封装成白 光在３５０ｍＡ下达到９５１ｍ以上，其发光效率达８５１ｍ／Ｗ。另夕ｂＰＳＳ制备的大功率芯片具有良好的可靠性和稳定性， ３５０ｍＡ和７００ｍＡ下老化ｌ０００虹圯衰分别为．０．４％和２．８％，并成功解决了产业化的关键技术。
然后燕镀ｌｕｍ的Ａｕ电极，并采用等离干增强化学５ｔ相沉积法（ＰＥＣＶＤ）沉积ｓｐ触化层，最后在蓝宝石衬底的背面蒸
镀反射膜，通过光刻、刘蚀、燕镀、沉积、热处理清洗、划片、厝”、测战、分选等多次‘Ｔ＝序后得到４５ｍｌｌ规格功 率型ＬＥｎ枣片成品，并对芯片进行封装测试．ＬＥＤ芯片结构如牲１２所示。
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２００ｎｍｌｎＧａＮ／ＧａＮ多量子阱（ＭＱＷ）有源层、５０ｎｍＭｇ掺杂仙．１５Ｇａｏ’８５Ｎ层以７及２５０ｎｍ的Ｍｇ掺杂Ｐ—ＧａＮ层，ＭＱＷ结构
由十个周期逐层生长，每个周期由２衄的Ｉｎ０．２２Ｇａ０．，ｓＮ与１０ｎｍ厚的ＧａＮ层组成，在蓝宝石图形衬底（ＰＳＳ）上外延生长
２００９±州半导体ｍ明技术与应州睦坛沧丈集
参考文献
…Ｋａｗａｋ ａｒｒ＿ｉＶ ＮａｍｋａｗａＶＯｍａｅ
２０００，１７８：３３１ Ｋ ｅ￡ａｌ Ｄｉｍｅｎ ｓｌｏｎａｌｉｔｙ“ｅｘｃｉｌｕｎ
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ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ
Ｐｈｙｓ Ｓｌａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ａ，
【２】爱长小车志锋
『芜等抛物线型｝憾ＩｎＧａＮ／Ｇ４Ｎ发光一概臂的模姒Ⅻ充ｆｊｌ
二、实验
－＿、ｉ百．：口工 蓝宝石图形化衬底制备：用金属掩膜版将周期性图形转移到蓝宝石衬底上，再用ＩＣＰ干法刻蚀蓝宝石衬底，从而 在衬底上形成周期性结构。
外延生长：采用第三代金属有机物化学气相沉积（ＭＯＣＶＤ）系统，在１０００６Ｃ左右Ｈ２氛围下将衬底灼烧约ｌＯｈ＇唧
后，分别在普通蓝宝石衬底（Ｎｏｎ．ＰＳＳ）上依次生长４０ｒｉｍ ＧａＮ形核层、２．５１ａｍｔｌ；掺杂ＧａＮ层、２．５岬的ｓｉ掺杂ｎ－ＧａＮ层、